一种基于激光光幕的平面定位装置的制作方法

本实用新型涉及测量定位领域，采用相互垂直的平行光激光光幕，定位一个特定平面内微小物体的位置。

背景技术：

目前，激光光幕技术在多个技术领域都得到应用，对每个具体的应用领域，由于其技术要求的不同，使得激光光幕的具体实现方法也不同。

在安全防护或者生产线自动控制领域，通常是采用多个激光发射器排成一列，设置于探测区域的一边；在探测区域相对的另一边，设置排成一列的多个光电感应器，使激光发射器和光电感应器一一对应，组成一个光栅式激光光幕，当有物体进入探测区域时，物体遮挡光线，光电感应器将探测到光线变化，然后转换成电信号，再送至信号处理部分作后续处理。这种光栅式激光光幕，抗干扰能力强，稳定，可靠，适用于工业现场等环境复杂的场合，但由于物理结构的原因，只能探测一维参数（或长度或宽度或高度），不能定位物体在一个平面内的具体坐标位置，且其最小光轴间距大于10mm，不适宜探测微小物体。

激光光幕另外一个应用领域是在实弹射击时非接触探测子弹击中靶面时的位置和速度，这方面应用中一个典型方案是申请号为201220007776的”一种结构简单的激光精度靶的制作方法”，其技术特点在于将一个一字线形激光器布置于靶框一角，一个“L”形光敏器件阵列设置在靶框相对该角的两条边上，当子弹穿过靶面时，将会在光敏器件阵列的相应位置形成阴影段，对光敏器件阵列输出信号进行运算处理，即可得到子弹穿过靶面时的相应着靶坐标，该方案结构简单，测试灵敏度较光栅式激光光幕高，可探测最小几个毫米的物体，但结构原理决定了其在探测区域内不同位置处的灵敏度相差很大，最高灵敏度只存在于一字线形激光器附近区域，离得越远，灵敏度越低。还有一个典型方案是申请号200420007418的“组合平行激光光幕靶的制作方法”，其技术特点为沿靶面的X,Y两个方向分别设置激光发生器及光敏接收器组，组成组合平行激光光幕靶，激光发生器包括一个光源管，光源管前端设有一透镜组，后端设有一半导体激光器，光敏器件组件由设有光道的光敏器件固定条和光敏器件构成，一个激光发生器可对应一个或多个光敏器件，测量精度由光敏器件的安装间隔大小确定，在其给出的实施实例中，可测量的物体最小直径为5.45mm。该方案测量精度较高，在整个测量区域具有相同的灵敏度。

在生物学实验或者理化实验中，常用到4孔，12孔，24孔，96孔，384孔等培养板，每次进行实验时，通常都要用加样针或移液枪往每个样品孔中分次（多次）顺序加入样品，各种试剂或反应物，由于试剂或反应物价值昂贵，如不慎把加入物的加入次数或顺序搞错，不但不能得到正确的实验结果，而且由于加入的试剂或反应物不可能重复使用，只能丢弃，从而导致较大的经济损失。因此在进行实验时，对每次加样时探入加样孔的加样针针尖或移液枪枪尖部分在培养板上的具体位置进行精确探测，以定位加样针或移液枪正位于培养板上的哪一个样品孔处，通过后续的处理电路及相应运算程序将定位结果显示出来并作进一步的计数，存储，实验步骤提示等相关处理，对提高实验效率，降低实验费用，有极大现实意义。

实际实验中使用的加样针或移液枪，其探入培养板样品孔的针尖（或枪尖）部分直径通常在1mm以下，随着微量检测和超微量检测技术水平的发展，实验需要的样品量和试剂量越来越少，为满足此要求，针尖（或枪尖）部分直径在0.5mm左右的加样针或移液枪的使用频率也越来越高，为了在培养板样品孔处准确可靠地探测加样针针尖或移液枪枪尖部分，从而定位加样针或移液枪在培养板上的具体位置，其探测灵敏度至少应该在0.25mm以下。而且，在整个培养板的样品孔区域，要求探测灵敏度分布均匀。

综上所述，不论是应用于安全控制和生产线检测领域的光栅式激光光幕方案，还是应用于实弹射击领域的激光光幕靶方案，其探测灵敏度，结构形式都不适用于探测加样针针尖或移液枪枪尖部分这样的微小物体，从而定位加样针或移液枪在培养板样品孔平面的具体位置。

技术实现要素：

鉴于此，本实用新型的目的是提供一种灵敏度高的基于激光光幕的平面定位装置。

为了实现上述目的本实用新型采用如下技术方案：一种基于激光光幕的平面定位装置，由两组相互独立的光路系统组成，所述光路系统包括平行激光发射端、光幕定位区和平行激光接收端，光幕定位区位于平行激光发射端和平行激光接收端之间，所述平行激光发射端包括可调焦激光发射器、菲涅尔透镜和若干用于改变光路方向的反射镜，所述菲涅尔透镜设置在可调焦激光发射器的光路上，将一字线激光转换为平行线激光；所述平行激光接收端包括光线分割反射镜组件、菲涅尔透镜组件和CCD感光器组件，经过光幕定位区的平行激光由光线分割反射镜组件分为至少两束激光，菲涅尔透镜组件设置在被光线分割反射镜组件分割后的光路上，经过菲涅尔透镜组件后的光路上设置有CCD感光器组件。

本实用新型的两组光路系统探测时相互独立，可同时得到物体的X,Y坐标数据，实时性好，测量精度高，在特定平面区域内具有相同的灵敏度。由于光线分割反射镜组件将平行激光分为了若干束平行激光，再由菲涅尔透镜组件中对应的菲涅尔透镜分别对分割后的平行激光进行光束收缩，相较直接用菲涅尔透镜对整束平行激光进行光束收缩的方式，降低了平行激光经过菲涅尔透镜进行光束收缩时的畸变程度，从而可以大大提高测量精度。本实用新型用于生物学实验或者理化实验中时，不仅可探测定位单通道加样针或移液枪的位置，也可同时定位8通道，12通道，96通道移液枪中每枝枪的位置。经计算机模拟和实际测量，采用本实用新型提供的方法，可在特定平面区域探测到低至0.15mm直径的物体。

附图说明

本实用新型的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本实用新型的原理示意图；

图2为本实用新型的立体结构示意图；

图3为本实用新型的正视结构示意图；

图4为本实用新型的左视结构示意图；

图5为本实用新型的右视结构示意图；

图6为本实用新型的垂直轴向分解示意图；

图中：1-横向可调焦激光发射器、2-底反射镜座、3-横向菲涅尔透镜、4-顶光线分割反射镜盖、5-横向菲涅尔透镜组件、6-菲涅尔透镜安装支架、7-横向CCD感光器组件、8-纵向可调焦激光发射器、9-纵向菲涅尔透镜组件、10-纵向菲涅尔透镜、11-纵向CCD感光器组件、12-激光发射器安装支架、13-支柱、14-培养板、15-培养板支架、16-CCD感光器组件安装支架、17-反射镜、18-光线分割反射镜组件、19-加样针针尖或移液枪枪尖。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

本实用新型由两组结构相同的相互独立的光路系统以及信号处理电路和运算显示部件组成。下面仅以一组光路系统为例进行原理说明。

一组完整的光路系统包括一个可调焦激光发射器（由一个半导体激光器，光阑板，一个鲍威尔透镜或柱形透镜或波纹型镜组成，一个菲涅尔透镜，一个菲涅尔透镜组件，复数个反射镜及一个CCD感光器组件，如图1所示。

可调焦激光发射器发出一束一字线型激光束，经调焦构件调整适当距离，经反射镜17投射到菲涅尔透镜上，一字线型激光束通过菲涅尔透镜变换为平行线激光，经反射镜17反射掠过特定平面区域（即光幕定位区），被一个光线分割反射镜组件18分割为复数束平行光，投射到对应的菲涅尔透镜组件中，由菲涅尔透镜组件将平行光光束收缩到对应CCD感光器组件的感光窗有效宽度，经CCD感光器组件对激光束进行检测。当在特定平面区域内有物体存在时（加样针针尖或移液枪枪尖19），将遮挡平行线激光，在CCD感光器组件的感光窗上形成阴影，使得CCD感光器组件输出信号发生相应变化，将这个输出信号送到处理电路处理，通过运算部件计算，可得到物体在特定平面内所处位置的一维坐标参数。另一组光路系统其结构组成与前述光路系统基本相同，平行光掠过同一特定平面区域，但平行线激光的光线传输方向与前一组平行线激光光线的传输方向垂直，同理即可得到物体在该特定平面区域内的另一维坐标参数。对具体应用而言，当加样针针尖或移液枪枪尖探入培养板加样孔进行加样操作时，针尖或枪尖部分同时遮挡了两组平行光光线，其阴影将被两组光路中的相关CCD感光器组件同时探测到，经各自处理电路处理，便可得到针尖或枪尖处的二维坐标数据，从而定位加样针或移液枪在特定平面区域中的位置，经运算部件计算，便可知道当前时刻正在对培养板上哪个样品孔进行加样操作。

如图2到图6所示的结构中，一种基于激光光幕的平面定位装置，包括横向可调焦激光发射器1、底反射镜座2、横向菲涅尔透镜3、顶光线分割反射镜盖4、横向菲涅尔透镜组件5、菲涅尔透镜安装支架6、横向CCD感光器组件7、纵向可调焦激光发射器8、纵向菲涅尔透镜组件9、纵向菲涅尔透镜10、纵向CCD感光器组件11、激光发射器安装支架12、支柱13、培养板支架15、CCD感光器组件安装支架16，其中，所述底反射镜座2上固定设置有支柱13，底反射镜座2内侧壁设置有反射镜，底反射镜座2上设置有横向可调焦激光发射器1和纵向可调焦激光发射器8，横向可调焦激光发射器1和纵向可调焦激光发射器8的激光发射方向相互垂直，横向可调焦激光发射器1和纵向可调焦激光发射器8通过激光发射器安装支架12固定于底反射镜座2上；支柱13从下往上依次固定有以下部件：安装有横向CCD感光器组件7和纵向CCD感光器组件11的CCD感光器组件安装支架16，安装有横向菲涅尔透镜组件5、纵向菲涅尔透镜组件9、横向菲涅尔透镜3和纵向菲涅尔透镜10的菲涅尔透镜安装支架6，内壁安装有横向光线分割反射镜面组和纵向光线分割反射镜面组的顶光线分割反射镜盖4；横向菲涅尔透镜组件5设置于横向CCD感光器组件7的上方，纵向菲涅尔透镜组件9设置于纵向CCD感光器组件11的上方。所述培养板支架15设置于菲涅尔透镜安装支架6和顶光线分割反射镜盖4之间。在培养板支架15上放置培养板14。

在以上结构中，所述底反射镜座2为矩形的，支柱13设置在底反射镜座2的四个角上。菲涅尔透镜安装支架6连接菲涅尔透镜和菲涅尔透镜组件的连接处，然后固定在支柱13上。顶光线分割反射镜盖4为矩形环状的非封闭盖子。

结合以上结构和原理，本实用新型的具体应用为：横向可调焦激光发射器组件1（由一个半导体点状激光器和一个鲍威尔透镜或柱形透镜或波纹镜以及光阑板和调焦机构组成，激光器发射激光经光阑板后，再经过鲍威尔透镜或柱形透镜或波纹型镜后将点光源转变为线光源）发出一字线型激光束，由集成在底反射镜座2中的反射镜面改变光路，将一字线型激光束投射到横向菲涅尔透镜3上，由其变换为平行线激光束，经集成在顶反射镜和光线分割反射镜组4中的反射镜反射，以平行线激光光幕的形式，掠过特定平面区域（培养板加样口孔口所在平面），照射到集成在顶光线分割反射镜盖4中的横向光线分割反射镜组上，平行线激光束被分割成2束平行线激光并反射到横向菲涅尔透镜组件5上，通过横向菲涅尔透镜组件5上对应的菲涅尔透镜将分割后的平行线激光束收缩到横向CCD感光器组件7上对应CCD感光器件上感光窗的有效宽度，经感光器件的检测，输出信号给处理电路进行处理，运算部件计算，得到加样针针尖或移液枪枪尖的一维坐标数据；另一束激光由纵向可调焦激光发射器组件8发出，经集成在底反射镜座中的反射镜面改变光路，将一字线型激光束投射到纵向菲涅尔透镜10上变换为平行线激光束，经集成在顶光线分割反射镜盖4中的反射镜反射，以平行线激光光幕的形式，掠过特定平面区域（培养板加样口孔口所在平面），照射到集成在顶光线分割反射镜盖4中的纵向光线分割反射镜组上，平行激光束被纵向光线分割反射镜组分割成3束平行线激光，再经纵向菲涅耳透镜组件9收缩光束，投射到纵向CCD感光器组件11感光器件上的相应感光窗口，经信号处理电路的处理和运算部件的计算，得到加样针针尖或移液枪枪尖位置的另一维坐标数据，最后通过处理电路合成，运算得到加样针针尖或移液枪枪尖在特定平面区域内的具体坐标参数，并把定位结果转换对应到培养板某个具体加样孔，在显示屏上显示出来，还可作进一步的计数，存储，实验步骤提示等相关处理。

本领域技术人员还可以根据图1的光路图采用另外的方式实现，例如可调焦激光发射器发射的一字线激光，直接经过菲涅尔透镜，或者利用多个反射镜改变光路后进入菲涅尔透镜，以及其他方式。在本光路中结合现有技术做的不需要本领域技术人员付出创造性劳动的小改进都属于本实用新型的保护范围。